Реактивний двигун. Історія винаходу та виробництва

Безкоштовна технічна бібліотека

ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Реактивний двигун. Історія винаходу та виробництва

Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Коментарі до статті

Реактивний двигун - двигун, що створює необхідну для руху силу тяги за допомогою перетворення внутрішньої енергії палива на кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла.

Робоче тіло з великою швидкістю спливає з двигуна, і, відповідно до закону збереження імпульсу, утворюється реактивна сила, що штовхає двигун у протилежному напрямку. Для розгону робочого тіла може використовуватися як розширення газу, нагрітого тим чи іншим способом до високої термотемператури (так звані теплові реактивні двигуни), так і інші фізичні принципи, наприклад, прискорення заряджених частинок в електростатичному полі (див. іонний двигун).

Реактивний двигун поєднує в собі власне двигун із рушієм, тобто він створює тягове зусилля лише за рахунок взаємодії з робочим тілом, без опори чи контакту з іншими тілами. З цієї причини найчастіше він використовується для руху літаків, ракет і космічних апаратів.

Реактивний двигун

У реактивному двигуні сила тяги, необхідна руху, створюється шляхом перетворення вихідної енергії на кінетичну енергію робочого тіла. В результаті закінчення робочого тіла із сопла двигуна утворюється реактивна сила у вигляді віддачі (струмені). Віддача переміщає у просторі двигун і конструктивно пов'язаний з ним апарат. Переміщення відбувається у напрямку, протилежному до закінчення струменя. У кінетичну енергію реактивного струменя можуть перетворюватися різні види енергії: хімічна, ядерна, електрична, сонячна. Реактивний двигун забезпечує власний рух без проміжних механізмів.

Для створення реактивної тяги необхідні джерело вихідної енергії, яка перетворюється на кінетичну енергію реактивного струменя, робоче тіло, що викидається з двигуна у вигляді реактивного струменя, і сам реактивний двигун, що перетворює перший вид енергії на другий.

Основною частиною реактивного двигуна є камера згоряння, де створюється робоче тіло.

Всі реактивні двигуни поділяються на два основні класи, залежно від того, використовується в їхній роботі навколишнє середовище чи ні.

Перший клас – повітряореактивні двигуни (ВРД). Всі вони теплові, в яких робоче тіло утворюється при реакції окислення палива киснем навколишнього повітря. Основну масу робочого тіла складає атмосферне повітря.

У ракетному двигуні всі компоненти робочого тіла знаходяться на борту оснащеного ним апарату.

Існують також комбіновані двигуни, що поєднують у собі обидва вищеназвані типи.

Вперше реактивний рух був використаний у кулі Герона – прототипі парової турбіни. Реактивні двигуни на твердому паливі з'явилися у Китаї у X ст. н. е. Такі ракети застосовувалися на Сході, а потім у Європі для феєрверків, сигналізації, а потім як бойові.

Важливим етапом у розвитку ідеї реактивного руху була ідея застосування ракети як двигун для літального апарату. Її вперше сформулював російський революціонер народовець М. І. Кібальчич, який у березні 1881 р., незадовго до страти, запропонував схему літального апарату (ракетоплану) з використанням реактивної тяги від вибухових порохових газів.

H. Є. Жуковський в роботах "Про реакцію рідини, що витікає і витікає" (1880-і роки) і "До теорії суден, що приводяться в рух силою реакції витікаючої води" (1908 р.) вперше розробив основні питання теорії реактивного двигуна.

Цікаві роботи з дослідження польоту ракети належать також відомому російському вченому І. В. Мещерському, зокрема у галузі загальної теорії руху тіл змінної маси.

У 1903 р. К. Е. Ціолковський у своїй роботі "Дослідження світових просторів реактивними приладами" дав теоретичне обґрунтування польоту ракети, а також принципову схему ракетного двигуна, яка передбачала багато принципових і конструктивних особливостей сучасних рідинно-ракетних двигунів (ЖРД). Так, Ціолковський передбачав застосування для реактивного двигуна рідкого палива та подачу його у двигун спеціальними насосами. Управління польотом ракети він пропонував здійснити за допомогою газових кермів - спеціальних пластинок, що розміщуються в струмені газів, що вилітають із сопла.

Особливість рідиннореактивного двигуна в тому, що на відміну від інших реактивних двигунів він несе з собою разом з паливом весь запас окислювача, а не забирає необхідний для спалювання пального повітря, що містить кисень, з атмосфери. Це єдиний двигун, який може бути використаний для надвисотного польоту поза земною атмосферою.

Першу у світі ракету з рідинним ракетним двигуном створив і запустив 16 березня 1926 американець Р. Годдард. Вона важила близько 5 кілограмів, а її довжина досягала 3 м. Паливом у ракеті Годдарда служили бензин та рідкий кисень. Політ цієї ракети тривав 2,5 секунди, за які вона пролетіла 56 метрів.

Систематичні експериментальні роботи над цими двигунами розпочалися у 30-х роках XX століття.

Перші радянські ЖРД були розроблені та створені у 1930-1931 рр. у ленінградській Газодинамічній лабораторії (ГДЛ) під керівництвом майбутнього академіка В. П. Глушка. Ця серія називалася ОРМ – досвідчений ракетний мотор. Глушко застосував деякі новинки, наприклад, охолодження двигуна одним з компонентів палива.

Паралельно розробка ракетних двигунів велася у Москві Групою вивчення реактивного руху (ГІРД). Її ідейним натхненником був Ф. А. Цандер, а організатором – молодий С. П. Корольов. Метою Корольова було будівництво нового ракетного апарату - ракетоплана.

У 1933 р. Ф. А. Цандер побудував і успішно випробував ракетний двигун ОР1, що працював на бензині та стисненому повітрі, а в 1932-1933 рр. - двигун ОР2, на бензині та рідкому кисні. Цей двигун був спроектований для встановлення на планері, який мав здійснити політ як ракетоплан.

У 1933 р. в ГІРД створена і випробувана перша радянська ракета на рідкому паливі.

Розвиваючи розпочаті роботи, радянські інженери надалі продовжували працювати над створенням рідинних реактивних двигунів. Усього з 1932 по 1941 р. у СРСР було розроблено 118 конструкцій рідинних реактивних двигунів.

У Німеччині 1931 р. відбулися випробування ракет І. Вінклера, Ріделя та ін.

Перший політ на літакеракетоплані з рідинно-реактивним двигуном було здійснено в Радянському Союзі в лютому 1940 р. Як силова установка літака був застосований ЖРД. У 1941 р. під керівництвом радянського конструктора В. Ф. Болховітінова був побудований перший реактивний літак - винищувач з рідинно-ракетним двигуном. Його випробування було проведено у травні 1942 р. льотчиком Г. Я. Бахчіваджі.

У цей час відбувся перший політ німецького винищувача з таким двигуном. У 1943 р. у США провели випробування першого американського реактивного літака, на якому було встановлено рідиннореактивний двигун. У Німеччині в 1944 р. були побудовані кілька винищувачів з цими двигунами конструкції Мессершмітта і в тому ж році застосовані у бойовій обстановці на Західному фронті.

З іншого боку, ЖРД застосовувалися на німецьких ракетах Фау2, створених під керівництвом У. фон Брауна.

У 1950-ті роки рідинно-ракетні двигуни встановлювалися на балістичних ракетах, а потім на штучних супутниках Землі, Сонця, Місяця та Марса, автоматичних міжпланетних станціях.

ЗРД складається з камери згоряння з соплом, турбонасосного агрегату, газогенератора або парогазогенератора, системи автоматики, органів регулювання, системи запалення та допоміжних агрегатів (теплообмінники, змішувачі, приводи).

Ідея повітрянореактивних двигунів не раз висувалась у різних країнах. Найбільш важливими та оригінальними роботами у цьому відношенні є дослідження, проведені у 1908–1913 pp. французьким вченим Р. Лореном, який, зокрема, 1911 р. запропонував ряд схем прямоточних повітряореактивних двигунів. Ці двигуни використовують як окислювач атмосферне повітря, а стиск повітря в камері згоряння забезпечується за рахунок динамічного напору повітря.

У травні 1939 р. у СРСР вперше відбулося випробування ракети з прямоточним повітряореактивним двигуном конструкції П. А. Меркулова. Це була двоступінчаста ракета (перший ступінь - порохова ракета) із злітною вагою 7,07 кг, причому вага палива для другого ступеня прямоточного повітряореактивного двигуна становила лише 2 кг. Під час випробування ракета досягла висоти 2 км.

У 1939-1940 pp. вперше у світі у Радянському Союзі проводилися літні випробування повітряореактивних двигунів, встановлених як додаткові двигуни на літаку конструкції Н. П. Полікарпова. У 1942 р. у Німеччині випробовувалися прямоточні повітряореактивні двигуни конструкції Е. Зенгера.

Повітряно-реактивний двигун складається з дифузора, в якому за рахунок кінетичної енергії потоку повітря, що набігає, відбувається стиск повітря. У камеру згоряння через форсунку впорскується паливо і відбувається спалах суміші. Реактивний струмінь виходить через сопло.

Процес роботи ВРД безперервний, тому в них відсутня стартова тяга. У зв'язку з цим при швидкостях польоту менше половини швидкості звуку повітряно-реактивні двигуни не застосовуються. Найбільш ефективним є застосування ВРД на надзвукових швидкостях і великих висотах. Зліт літака з повітряно-реактивним двигуном відбувається за допомогою ракетних двигунів на твердому або рідкому паливі.

Найбільшого розвитку набула інша група повітряореактивних двигунів - турбокомпресорні двигуни. Вони поділяються на турбореактивні, у яких тяга створюється струменем газів, що з реактивного сопла, і турбогвинтові, у яких основна тяга створюється повітряним гвинтом.

У 1909 р. проект турбореактивного двигуна було розроблено інженером Н. Герасимовим. У 1914 р. лейтенант російського морського флоту М. Н. Микільської сконструював та побудував модель турбогвинтового авіаційного двигуна. Робочим тілом для приведення в дію триступеневої турбіни служили газоподібні продукти згоряння суміші скипидару та азотної кислоти. Турбіна працювала не тільки на повітряний гвинт: газоподібні продукти згоряння, що відходять, направлені в хвостове (реактивне) сопло, створювали реактивну тягу додатково до сили тяги гвинта.

У 1924 р. В. І. Базаров розробив конструкцію авіаційного турбокомпресорного реактивного двигуна, що складалася із трьох елементів: камери згоряння, газової турбіни, компресора. Потік стисненого повітря тут уперше ділився на дві гілки: менша частина йшла в камеру згоряння (до пальнику), а велика підмішувалася до робочих газів для зниження їхньої температури перед турбіною. Тим самим було забезпечувалося збереження лопаток турбіни. Потужність багатоступінчастої турбіни витрачалася на привід відцентрового компресора самого двигуна і частково обертання повітряного гвинта. Додатково до гвинта тяга створювалася за рахунок реакції струменя газів, що пропускаються через хвостове сопло.

У 1939 р. на Кіровському заводі в Ленінграді почалося будівництво турбореактивних двигунів конструкції А. М. Люльки. Його випробуванням завадила війна.

У 1941 р. в Англії було вперше здійснено політ на експериментальному літакові винищувачі, оснащеному турбореактивним двигуном конструкції Ф. Уіттла. На ньому був встановлений двигун із газовою турбіною, яка приводила в дію відцентровий компресор, що подає повітря в камеру згоряння. Продукти згоряння використовувалися для створення реактивної тяги.

Реактивний двигун
Літак Віттла Gloster (E.28/39)

У турбореактивному двигуні повітря, що надходить при польоті, стискається спочатку в повітрозабірнику, а потім у турбокомпресорі. Стиснене повітря подається в камеру згоряння, куди впорскується рідке паливо (найчастіше - авіаційний гас). Часткове розширення газів, що утворилися при згорянні, відбувається в турбіні, що обертає компресор, а остаточне - у реактивному соплі. Між турбіною та реактивним двигуном може бути встановлена форсажна камера, призначена для додаткового згоряння палива.

Наразі турбореактивними двигунами оснащена більшість військових та цивільних літаків, а також деякі вертольоти.

У турбогвинтовому двигуні основна тяга створюється повітряним гвинтом, а додаткова (близько 10%) - струменем газів, що з реактивного сопла. Принцип дії турбогвинтового двигуна схожий на турбореактивний, з тією різницею, що турбіна обертає не тільки компресор, а й повітряний гвинт. Ці двигуни застосовуються у дозвукових літаках та вертольотах, а також для руху швидкохідних суден та автомобілів.

Найбільш ранні реактивні твердопаливні двигуни використовувалися у бойових ракетах. Їхнє широке застосування почалося в XIX ст., коли в багатьох арміях з'явилися ракетні частини. Наприкінці ХІХ ст. були створені перші бездимні порохи, з більш стійким горінням та більшою працездатністю.

У 1920-1930-ті роки велися роботи зі створення реактивної зброї. Це призвело до появи реактивних мінометів - "катюш" у Радянському Союзі, шестиствольних реактивних мінометів у Німеччині.

Отримання нових видів пороху дозволило застосовувати реактивні твердопаливні двигуни в бойових ракетах, включаючи балістичні. Крім цього вони застосовуються в авіації та космонавтиці як двигуни перших щаблів ракетносіїв, стартові двигуни для літаків з прямоточними повітряно-реактивними двигунами та гальмівні двигуни космічних апаратів.

Реактивний твердопаливний двигун складається з корпусу (камери згоряння), в якому знаходиться весь запас палива та реактивного сопла. Корпус виконується зі сталі чи склопластику. Сопло – з графіту, тугоплавких сплавів, графіту.

Запалювання палива проводиться запальним пристроєм.

Регулювання тяги здійснюється зміною поверхні горіння заряду або площі критичного перерізу сопла, а також впорскуванням камери згоряння рідини.

Напрямок тяги може змінюватися газовими кермами, насадкою (дефлектором), що відхиляється, допоміжними керуючими двигунами і т.п.

Реактивні твердопаливні двигуни дуже надійні, можуть довго зберігатися, а отже постійно готові до запуску.

Автор: Пристінський В.Л.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас:

▪ Глибоководний живий підводний апарат

▪ Безпечна бритва

▪ З'єднання деталей

Дивіться інші статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Надточна зірка 14.09.2006

Астрономи з Техаського університету (США) знайшли в сузір'ї Малого Лева найточніший астрономічний годинник.

Білий карлик, зірка під індексом G117-B15A, пульсує, змінюючи свою яскравість кожні 215 секунд. Цей період дотримується з такою точністю, що помилка в одну секунду може накопичитися лише за 8, 9 мільйона років. Щоб перевірити точність ходу, довелося стежити за зіркою 31 рік.

Зауважимо, що найточніший атомний годинник, створений людиною, зараз приблизно вдвічі точніший за небесний.

Інші цікаві новини:

▪ Жорсткий диск із сервісами відновлення даних

▪ Про користь сну в робочий час

▪ MAX44291 - новий малошумний ОУ з низьким температурним дрейфом

▪ Передача даних USB 3.2 зі швидкістю до 20 Гбіт/с

▪ Перший ВЧ-транзистор NXP

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Світлодіоди. Добірка статей

▪ стаття Людина народжена для щастя, як птах для польоту. Крилатий вислів

▪ статья Який орган людського тіла не отримує кисень через кров? Детальна відповідь

▪ стаття Відновлення велосипедної покришки. Особистий транспорт